手机生产线排序装置设计与仿真

郝用兴，马得朝，马子领

（1.华北水利水电大学，河南 郑州 450045；2.长城汽车股份有限公司，河北 保定 071000）

机械手是一种自动化、智能化的生产装置，它具有抓取、翻转、移动甚至直接简单加工工件的功能，同时也是许多智能机器人应用的重要组成机构。伴随着机器人技术的发展，机械手技术也得以快速进步。许多造型美观、性能优异的机械手产品在高温、高压、高湿、低氧、高强度等恶劣抑或高重复率的工作环境中代替人工劳动方面做出了突出的贡献。

机械手的广泛使用是未来的发展趋势，机械手的定位精度也在随着自由度的增加而不断提升，但自由度的不断增加随之而来的就是设计、加工、控制成本的大大增加。现在工厂里所使用的专用机械手自由度一般都是2~3个，3个以上自由度的机械手主要用于教学和实验。本文旨在设计一个手机生产线排序装置，通过其与简单机械手的配合使用来达到多自由度机械手的功能，从而降低工厂的投入成本。

1 机构方案

本文基于手机生产流水线机械手抓取传送带上手机困难的情况，在机械手进行抓取之前先行对手机进行定位，以方便机械手的抓取。

1.1 工作条件和系统需求

工作条件：在手机生产流水线上手机随着传送带向前运动，手机在传送带上的位置为手机生产人员随机放置，如图1（a）所示。运送的手机产品外形：长度a=110mm，宽度b=60mm，厚度c=10mm，质量m=120g，外壳为PC材料，弹性模量E=2300 MPa。传送带的运行速度V=6m/min，宽度为B=500mm。手机与手机之间的摩擦系数为0.05，手机和传送带之间的摩擦系数为0.3。

系统需求：在此工作条件下设计一个手机生产线排序装置对传送带上位置不规则的手机进行排序定位（如图1所示），以此来降低机械手的抓取难度。

图1 手机定位前后对比

1.2 设计方案

为使大量不规则的物体有一个固定的方位，目前常见的处理方案有两种。

图2 固定V型口装置

图3 防挤压V型口装置

方案（1）：固定V型口装置对手机的排序。如图2所示，在传送带上放置一个固定的V型口和导向槽。

方案（2）:防挤压V型口装置对手机的排序。如图3所示，该装置设计了对转防挤装置，对转防挤装置由对称间隔放置的一对转轮组成，朝向来料一侧的该对转动件的弧面与传送带围成防挤压V型进口，转轮的转动方向和传送带的运动方向相反。

通过ABAQUS软件模拟仿真发现，手机在通过固定V型口时只有单一、少流量及特定状态的手机才可以通过，大流量位置特殊的手机会出现堵塞V型口导致无法通过的现象，因此该方案不可行。防挤压V型口装置虽然可以避免V型口堵塞，但是需要通过不断调整转轮的速度差才能使特殊状态的手机顺利通过。例如图4（a），当两个轮子的转速差距较大，且在3.5倍以上时才能使手机迅速通过；如图4（b）当两个轮子的转速差距较小时，方可使手机顺利通过；对于如图1（a）的情形，则需要通过观察手机在V型口聚集的情况，不断的调节两个转轮的速度比，方可以使手机顺利通过。由此可见根据不同的情形，需要不断的调节轮子的转速，这大大增加了监测、控制难度。

通过对图1（a）以及图4三个状态的分析可以发现:手机纵向放置的通过性要大大好于横向放置的状态。由此设想，在传送带中心线上固定一个导向柱，用以分开通过的手机流，使手机尽可能的靠近轮子边缘，通过转轮带动手机旋转避免有横向放置的手机通过V型口。如图5所示：由一对转轮、导向柱和输送机的输送带构成多适应性V型口的入口。在两个转轮有固定的转速比时，该方案可以解决图4、图1（a）及其他特殊位置的工况，使得操作更简单化，切实可行。

图4 防挤压V型口装置对特殊位置手机的处理

图5 多适应性V型口装置

2 设计方案模拟验证

ABAQUS被业界称为有限元软件中的“贵族”，处理复杂非线性问题能力强，擅长解决接触、大变形、非线性材料等高端问题。

为了验证本文所提出方案的有效性，利用ABAQUS进行建模仿真如图6所示，其中模型参数如表1所示，模型运行速度如表2所示，各部件间摩擦系数如表3所示。通过图6（a）和图6（b）可以看出此方案切实可行，对多种工况具有很强的适应性。

图6 多适应性V型口装置ABAQUS模拟仿真

表1 模型参数表

表2 模型运行速度

表3 摩擦系数

3 结构设计及优化

在方法方案及设计方案模拟验证中得到了如图5所示的设计方案，但它距离产品的设计与实现还相差甚远。如图7所示，为了方便机械手的抓取在导向槽的末端再加一个挡板。将根据设计要求进行产品的整体设计与优化分析。

图7 加挡板的多适应性V型口装置

（1）转轮尺寸设定。由于手机是在传送带上随机放置的，为了防止手机和转轮发生碰撞后掉落，则：转轮直径D≥A-B；由于此处为单层手机，为保证手机和转轮充分接触，则转轮高度h轮≥c。

（2）导向槽尺寸设定。为方便机械手的抓取，假设导向槽内有3部待抓取手机，则导向槽的长度为：L=3*a，考虑到挡板和导向槽的距离，V型口内也可以存放手机，此处设定L=2*a，宽度d=B，高度h槽=h轮。

（3）导向柱、挡板尺寸设定。导向柱和挡板尺寸对该机构的影响很小，从结构强度与各部件协调等方面考虑，设定导向柱的直径d=20mm，高度h柱=h轮。挡板长度e=B，宽度f=b，高度h板=h轮。

图8 手机生产线排序装置图

4 结语

本文针对流水线传送带上位置不规则的手机如何规则化排队问题进行了研究，采用本文设计的手机生产线排序装置可以使原本杂乱无章的手机拥有统一的方向和固定的位置。该研究可以大大降低后续机械手操作的难度和工厂的投入成本。

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